使用Java NIO编写高性能的服务器

<转自http://tenyears.iteye.com/blog/40489>

从JDK 1.4开始，Java的标准库中就包含了NIO，即所谓的“New IO”。其中最重要的功能就是提供了“非阻塞”的IO，当然包括了Socket。NonBlocking的IO就是对select(Unix平台下)以及 WaitForMultipleObjects(Windows平台)的封装，提供了高性能、易伸缩的服务架构。

说来惭愧，直到JDK1.4才有这种功能，但迟到者不一定没有螃蟹吃，NIO就提供了优秀的面向对象的解决方案，可以很方便地编写高性能的服务器。

话说回来，传统的Server/Client实现是基于Thread per request，即服务器为每个客户端请求建立一个线程处理，单独负责处理一个客户的请求。比如像Tomcat（新版本也会提供NIO方案）、Resin等Web服务器就是这样实现的。当然为了减少瞬间峰值问题，服务器一般都使用线程池，规定了同时并发的最大数量，避免了线程的无限增长。

但这样有一个问题：如果线程池的大小为100，当有100个用户同时通过HTTP现在一个大文件时，服务器的线程池会用完，因为所有的线程都在传输大文件了，即使第101个请求者仅仅请求一个只有10字节的页面，服务器也无法响应了，只有等到线程池中有空闲的线程出现。

另外，线程的开销也是很大的，特别是达到了一个临界值后，性能会显著下降，这也限制了传统的Socket方案无法应对并发量大的场合，而“非阻塞”的IO就能轻松解决这个问题。

下面只是一个简单的例子：服务器提供了下载大型文件的功能，客户端连接上服务器的12345端口后，就可以读取服务器发送的文件内容信息了。注意这里的服务器只有一个主线程，没有其他任何派生线程，让我们看看NIO是如何用一个线程处理N个请求的。

NIO服务器最核心的一点就是反应器模式：当有感兴趣的事件发生的，就通知对应的事件处理器去处理这个事件，如果没有，则不处理。所以使用一个线程做轮询就可以了。当然这里这是个例子，如果要获得更高性能，可以使用少量的线程，一个负责接收请求，其他的负责处理请求，特别是对于多CPU时效率会更高。

关于使用NIO过程中出现的问题，最为普遍的就是为什么没有请求时CPU的占用率为100%？出现这种问题的主要原因是注册了不感兴趣的事件，比如如果没有数据要发到客户端，而又注册了写事件（OP_WRITE），则在 Selector.select()上就会始终有事件出现，CPU就一直处理了，而此时select()应该是阻塞的。

另外一个值得注意的问题是：由于只使用了一个线程（多个线程也如此）处理用户请求，所以要避免线程被阻塞，解决方法是事件的处理者必须要即刻返回，不能陷入循环中，否则会影响其他用户的请求速度。

具体到本例子中，由于文件比较大，如果一次性发送整个文件（这里的一次性不是指send整个文件内容，而是通过while循环不间断的发送分组包），则主线程就会阻塞，其他用户就不能响应了。这里的解决方法是当有WRITE事件时，仅仅是发送一个块（比如4K字节）。发完后，继续等待WRITE事件出现，依次处理，直到整个文件发送完毕，这样就不会阻塞其他用户了。

服务器的例子：package nio.file;



import java.io.FileInputStream;

import java.io.IOException;

import java.net.InetSocketAddress;

import java.nio.ByteBuffer;

import java.nio.CharBuffer;

import java.nio.channels.FileChannel;

import java.nio.channels.SelectionKey;

import java.nio.channels.Selector;

import java.nio.channels.ServerSocketChannel;

import java.nio.channels.SocketChannel;

import java.nio.charset.Charset;

import java.nio.charset.CharsetDecoder;

import java.util.Iterator;



/**

* 测试文件下载的NIOServer

*

* @author tenyears.cn

*/

public class NIOServer {

static int BLOCK = 4096;

// 处理与客户端的交互

public class HandleClient {

protected FileChannel channel;

protected ByteBuffer buffer;

public HandleClient() throws IOException {

this.channel = new FileInputStream(filename).getChannel();

this.buffer = ByteBuffer.allocate(BLOCK);

}

public ByteBuffer readBlock() {

try {

buffer.clear();

int count = channel.read(buffer);

buffer.flip();

if (count <= 0)

return null;

} catch (IOException e) {

e.printStackTrace();

}

return buffer;

}

public void close() {

try {

channel.close();

} catch (IOException e) {

e.printStackTrace();

}

}

}



protected Selector selector;

protected String filename = "d:\\bigfile.dat"; // a big file

protected ByteBuffer clientBuffer = ByteBuffer.allocate(BLOCK);

protected CharsetDecoder decoder;



public NIOServer(int port) throws IOException {

selector = this.getSelector(port);

Charset charset = Charset.forName("GB2312");

decoder = charset.newDecoder();

}



// 获取Selector

protected Selector getSelector(int port) throws IOException {

ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel.open();

Selector sel = Selector.open();

server.socket().bind(new InetSocketAddress(port));

server.configureBlocking(false);

server.register(sel, SelectionKey.OP_ACCEPT);

return sel;

}



// 监听端口

public void listen() {

try {

for (;;) {

selector.select();

Iterator<selectionkey></selectionkey> iter = selector.selectedKeys()

.iterator();

while (iter.hasNext()) {

SelectionKey key = iter.next();

iter.remove();

handleKey(key);

}

}

} catch (IOException e) {

e.printStackTrace();

}

}



// 处理事件

protected void handleKey(SelectionKey key) throws IOException {

if (key.isAcceptable()) { // 接收请求

ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel();

SocketChannel channel = server.accept();

channel.configureBlocking(false);

channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

} else if (key.isReadable()) { // 读信息

SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();

int count = channel.read(clientBuffer);

if (count > 0) {

clientBuffer.flip();

CharBuffer charBuffer = decoder.decode(clientBuffer);

System.out.println("Client >>" + charBuffer.toString());

SelectionKey wKey = channel.register(selector,

SelectionKey.OP_WRITE);

wKey.attach(new HandleClient());

} else

channel.close();

clientBuffer.clear();

} else if (key.isWritable()) { // 写事件

SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();

HandleClient handle = (HandleClient) key.attachment();

ByteBuffer block = handle.readBlock();

if (block != null)

channel.write(block);

else {

handle.close();

channel.close();

}

}

}



public static void main(String[] args) {

int port = 12345;

try {

NIOServer server = new NIOServer(port);

System.out.println("Listernint on " + port);

while (true) {

server.listen();

}

} catch (IOException e) {

e.printStackTrace();

}

}

}


该代码中，通过一个HandleClient来获取文件的一块数据，每一个客户都会分配一个HandleClient的实例。

下面是客户端请求的代码，也比较简单，模拟100个用户同时下载文件。package nio.file;

import java.io.IOException;

import java.net.InetSocketAddress;

import java.nio.ByteBuffer;

import java.nio.CharBuffer;

import java.nio.channels.SelectionKey;

import java.nio.channels.Selector;

import java.nio.channels.SocketChannel;

import java.nio.charset.Charset;

import java.nio.charset.CharsetEncoder;

import java.util.Iterator;

import java.util.concurrent.ExecutorService;

import java.util.concurrent.Executors;



/**

* 文件下载客户端

* @author tenyears.cn

*/

public class NIOClient {

static int SIZE = 100;

static InetSocketAddress ip = new InetSocketAddress("localhost",12345);

static CharsetEncoder encoder = Charset.forName("GB2312").newEncoder();

static class Download implements Runnable {

protected int index;

public Download(int index) {

this.index = index;

}



public void run() {

try {

long start = System.currentTimeMillis();

SocketChannel client = SocketChannel.open();

client.configureBlocking(false);

Selector selector = Selector.open();

client.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);

client.connect(ip);

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(8 * 1024);

int total = 0;

FOR: for (;;) {

selector.select();

Iterator<selectionkey></selectionkey> iter = selector.selectedKeys()

.iterator();

while (iter.hasNext()) {

SelectionKey key = iter.next();

iter.remove();

if (key.isConnectable()) {

SocketChannel channel = (SocketChannel) key

.channel();

if (channel.isConnectionPending())

channel.finishConnect();

channel.write(encoder.encode(CharBuffer

.wrap("Hello from " + index)));

channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

} else if (key.isReadable()) {

SocketChannel channel = (SocketChannel) key

.channel();

int count = channel.read(buffer);

if (count > 0) {

total += count;

buffer.clear();

} else {

client.close();

break FOR;

}

}

}

}

double last = (System.currentTimeMillis() - start) * 1.0 / 1000;

System.out.println("Thread " + index + " downloaded " + total

+ "bytes in " + last + "s.");

} catch (IOException e) {

e.printStackTrace();

}

}

}



public static void main(String[] args) throws IOException {

ExecutorService exec = Executors.newFixedThreadPool(SIZE);

for (int index = 0; index < SIZE; index++) {

exec.execute(new Download(index));

}

exec.shutdown();

}

}